Hvad er Quantum Advantage? I øjeblikket vil ekstremt kraftfulde kvantecomputere ankomme

Hvad er Quantum Advantage? I øjeblikket vil ekstremt kraftfulde kvantecomputere ankomme

Tidsstempel: 17. november 2023 kl. 3:03

Kvantefordelen er den milepæl, som kvanteberegningsområdet inderligt arbejder hen imod, når en kvantecomputer kan løse problemer, der er uden for rækkevidde af de mest kraftfulde ikke-kvante- eller klassiske computere.

Kvante refererer til skalaen af ​​atomer og molekyler, hvor fysikkens love, når vi oplever dem, bryder sammen, og et andet, kontraintuitivt sæt love gælder. Kvantecomputere udnytter denne mærkelige adfærd til at løse problemer.

Det er der nogle typer problemer upraktisk for klassiske computere at løse, Såsom cracking state-of-the-art krypteringsalgoritmer. Forskning i de seneste årtier har vist, at kvantecomputere har potentialet til at løse nogle af disse problemer. Hvis en kvantecomputer kan bygges, der rent faktisk løser et af disse problemer, vil den have vist kvantefordel.

Jeg er en fysiker der studerer kvanteinformationsbehandling og styring af kvantesystemer. Jeg mener, at denne grænse for videnskabelig og teknologisk innovation ikke kun lover banebrydende fremskridt inden for beregning, men også repræsenterer en bredere stigning inden for kvanteteknologi, herunder betydelige fremskridt inden for kvantekryptografi og kvantesansning.

Kilden til Quantum Computing's Power

Centralt for kvanteberegning er kvantebitten, eller qubit. I modsætning til klassiske bits, som kun kan være i tilstande 0 eller 1, kan en qubit være i enhver tilstand, der er en kombination af 0 og 1. Denne tilstand på hverken kun 1 eller kun 0 er kendt som en kvantesuperposition. For hver ekstra qubit fordobles antallet af tilstande, der kan repræsenteres af qubits.

Denne egenskab forveksles ofte med kilden til kraften ved kvanteberegning. I stedet kommer det ned til et indviklet samspil af superposition, interferens og sammenfiltring.

Interferens involverer at manipulere qubits, så deres tilstande kombineres konstruktivt under beregninger for at forstærke korrekte løsninger og destruktivt for at undertrykke de forkerte svar. Konstruktiv interferens er, hvad der sker, når toppene af to bølger - som lydbølger eller havbølger - kombineres for at skabe en højere top. Destruktiv interferens er, hvad der sker, når en bølgetop og et bølgedal kombineres og udligner hinanden. Kvantealgoritmer, som er få og svære at udtænke, opstiller en sekvens af interferensmønstre, der giver det rigtige svar på et problem.

Entanglement etablerer en unik kvantekorrelation mellem qubits: Tilstanden af ​​en kan ikke beskrives uafhængigt af de andre, uanset hvor langt fra hinanden qubits er. Dette er, hvad Albert Einstein berømt afviste som "uhyggelig handling på afstand." Entanglements kollektive adfærd, orkestreret gennem en kvantecomputer, muliggør beregningshastigheder, der er uden for rækkevidde af klassiske computere.

[Indlejret indhold]

Anvendelser af Quantum Computing

Quantum computing har en række potentielle anvendelser, hvor den kan udkonkurrere klassiske computere. Inden for kryptografi udgør kvantecomputere både en mulighed og en udfordring. Mest kendt har de potentiale til at dechifrere aktuelle krypteringsalgoritmer, såsom den meget brugte RSA-ordning.

En konsekvens af dette er, at nutidens krypteringsprotokoller skal omkonstrueres for at være modstandsdygtige over for fremtidige kvanteangreb. Denne anerkendelse har ført til det spirende felt af post-kvante kryptografi. Efter en lang proces valgte National Institute of Standards and Technology for nylig fire kvanteresistente algoritmer og har påbegyndt processen med at klargøre dem, så organisationer over hele verden kan bruge dem i deres krypteringsteknologi.

Derudover kan kvanteberegning dramatisk fremskynde kvantesimulering: evnen til at forudsige resultatet af eksperimenter, der opererer i kvanteverdenen. Den berømte fysiker Richard Feynman forestillede sig denne mulighed mere end 40 år siden. Kvantesimulering giver mulighed for betydelige fremskridt inden for kemi og materialevidenskab, og hjælper på områder som den indviklede modellering af molekylære strukturer til lægemiddelopdagelse og muliggør opdagelsen eller skabelsen af ​​materialer med nye egenskaber.

En anden brug af kvanteinformationsteknologi er kvantesansning: detektering og måling af fysiske egenskaber som elektromagnetisk energi, tyngdekraft, tryk og temperatur med større følsomhed og præcision end ikke-kvanteinstrumenter. Kvanteregistrering har utallige anvendelsesmuligheder inden for områder som f.eks miljøovervågning, geologisk udforskning, medicinsk billeddannelseog overvågning.

Initiativer som udvikling af en kvanteinternet som forbinder kvantecomputere er afgørende skridt mod at bygge bro mellem kvante- og klassiske computerverdener. Dette netværk kunne sikres ved hjælp af kvantekryptografiske protokoller såsom kvantenøgledistribution, som muliggør ultrasikre kommunikationskanaler, der er beskyttet mod computerangreb - inklusive dem, der bruger kvantecomputere.

På trods af en voksende applikationspakke til kvanteberegning, udvikling af nye algoritmer, der udnytter kvantefordelen fuldt ud - især i maskinlæring— forbliver et kritisk område af igangværende forskning.

et metalapparat med grønt laserlys i baggrunden
En prototype kvantesensor udviklet af MIT-forskere kan detektere enhver frekvens af elektromagnetiske bølger. Billedkredit: Guoqing Wang, CC BY-NC-ND

Forbliv sammenhængende og overvind fejl

kvanteberegningsfelt står over for betydelige forhindringer i hardware- og softwareudvikling. Kvantecomputere er meget følsomme over for enhver utilsigtet interaktion med deres miljøer. Dette fører til fænomenet dekohærens, hvor qubits hurtigt nedbrydes til 0 eller 1 tilstande af klassiske bits.

Opbygning af kvantecomputersystemer i stor skala, der er i stand til at leve op til løftet om kvante-speed-ups, kræver at overvinde dekohærens. Nøglen er at udvikle effektive metoder til undertrykke og korrigere kvantefejl, et område min egen forskning er fokuseret på.

Ved at navigere i disse udfordringer, talrige opstart af kvantehardware og -software er opstået sammen med veletablerede teknologiindustrispillere som Google og IBM. Denne industriinteresse, kombineret med betydelige investeringer fra regeringer verden over, understreger en kollektiv anerkendelse af kvanteteknologiens transformative potentiale. Disse initiativer fremmer et rigt økosystem, hvor den akademiske verden og industrien samarbejder, hvilket accelererer fremskridt på området.

Quantum Advantage kommer til syne

Quantum computing kan en dag være lige så forstyrrende som ankomsten af generativ AI. I øjeblikket er udviklingen af ​​kvantecomputerteknologi på et afgørende tidspunkt. På den ene side har feltet allerede vist tidlige tegn på at have opnået en snævert specialiseret kvantefordel. Forskere hos Google og senere a team af forskere i Kina demonstreret kvantefordel til generering af en liste over tilfældige tal med visse egenskaber. Mit forskerhold demonstrerede en kvante-speed-up for et tilfældigt tal gættespil.

På den anden side er der en håndgribelig risiko for at gå ind i en "kvantevinter", en periode med reducerede investeringer, hvis de praktiske resultater udebliver på kort sigt.

Mens teknologiindustrien arbejder på at levere kvantefordele i produkter og tjenester på kort sigt, forbliver akademisk forskning fokuseret på at undersøge de grundlæggende principper, der understøtter denne nye videnskab og teknologi. Denne igangværende grundforskning, drevet af entusiastiske kadrer af nye og dygtige studerende af den type, jeg støder på næsten hver dag, sikrer, at feltet vil fortsætte med at udvikle sig.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs oprindelige artikel.

Billedkredit: xx / xx

Tidsstempel:

Mere fra Singularitet Hub